Aufbau und Betrieb der weltweit ersten PV-Demonstrationsanlagen in der Mittelspannung mit einem 3 kV-Stringwechselrichter

Bis 2050 wird weltweit ein Zubau von etwa 73 Terawatt an installierter Photovoltaik-Leistung erwartet. Für diesen geplanten Ausbau werden große Mengen an Rohstoffen benötigt, unter anderem Kupfer und Aluminium für Kabel und Transformatoren. Die Anhebung der PV-Anlage in die Mittelspannung hat das Potential den Ressourceneinsatz und die Investitionskosten deutlich zu senken. Das Projekt soll anhand von zwei Pilotanlagen zeigen, dass der Schritt in die Mittelspannung für PV-Großanlagen technisch machbar und ökonomisch sinnvoll ist. Das Team wird dabei von je einem Hersteller für alle wichtigen Systemkomponenten vom Mittelspannungs-Kabel bis zum PV-Stecker unterstützt.

Ausgangslage

In einem nach heutigem Stand der Technik gebauten Kraftwerk mit installierter Leistung von 50 MWp sind Kabellängen im dreistelligen Kilometerbereich verlegt. Laut Global Critical Minerals Outlook 2024 der Internationalen Energie-Agentur IEA wird ab 2025 der Kupferbedarf das angekündigte Angebot übersteigen, weshalb in Zukunft mit steigenden Rohstoffpreisen zu rechnen ist. Schon heute werden deshalb in großem Stil Aluminiumleitungen eingesetzt, trotz des höheren Verarbeitungsaufwands. Doch zum einen geht die Produktion von Aluminium mit einem deutlich erhöhten CO2 Ausstoß einher, zum anderen wird auch Aluminium bereits heute von der EU als kritischer Rohstoff eingestuft. 

Ziel

Der Schritt in die Mittelspannung ist ein wesentlicher Hebel, um den Bedarf an Kupfer und Aluminium für PV-Großkraftwerke massiv zu reduzieren. Zum einen führt eine Verdopplung der Spannung zu Einsparungen im Leiterquerschnitt von ca. 75%. Dünnere Kabel sind einfacher zu verlegen und senken zusätzlich die Installationskosten. Darüber hinaus kann die Anschlussleistung von Transformatoren und Substations bei gleicher Baugröße verdoppelt werden. In Großkraftwerken kann deren Anzahl halbiert werden, was zu weiteren Einsparungen von Material, Invest- und Installationskosten führt.

Alle genannten Vorteile ergeben sich bereits in der niedrigen Mittelspannung. Die Aufwände für das Design entsprechend spannungsfester Komponenten sind überschaubar, weshalb uns viele Industriepartner dabei unterstützen.

Lösung

Doch bisher sind passende Systemkomponenten noch nicht am Markt und angepasste Normen befinden sich noch im Entwurfsstadium. Ziel des Projekts ist daher mithilfe der Industriepartner passende Komponenten zu entwickeln und damit zwei Pilotanlagen aufzubauen und zu betreiben. Anschlussleistung: ca. 135 kW, DC-Spannung: max. 3 kV, AC-Spannung: 1,2 kV. 

Der Mittelspannungs-PV-Wechselrichter wurde vom Fraunhofer ISE bereits im Projekt MS-Leikra entwickelt und wird für den Einsatz im Feld angepasst. Es sollen zwei verschiedene Stringverschaltungen erprobt werden. Zum einen der Einsatz von Standard PV-Modulen mit +/- 1500 V und Mittelpunktserdung. Zum anderen ein 3-kV-String mit entsprechenden PV-Modul-Prototypen. Anhand der Erfahrungen bei Planung, Aufbau und Inbetriebnahme soll abschließend ein Qualitätssicherungs- und Prüfkonzept für MS-PV-Anlagen entwickelt werden.

• Pfalzwerke AG
• FEAG Forchheim GmbH
• Stäubli Electrical Connectors AG
• Weidmüller Interface GmbH & Co. KG
• Mersen Deutschland Eggolsheim GmbH
• Prysmian Kabel und Systeme GmbH
• Sumida Components & Modules GmbH
• Hanwha Q Cells GmbH
• Zimmermann PV-Stell Group GmbH & Co. KG
• Infineon Technologies AG
• Fluke Deutschland GmbH

Das Projekt »PVgoesMV«  wird vom Bundesinisterium für Wirtschaft und Energie gefördert im Rahmen des 8. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung »Innovationen für die Energiewende«.